BRMU9003038U2 - sistema modular de eletroxidação associada à fotocatálise heterogênea aplicado ao tratamento de águas e efluentes - Google Patents

Abstract

sistema modular de eletroxidação associada à fotocatálise heterogênea aplicado ao tratamento de águas e efluentes. o presente modelo de utilidade refere-se a um sistema de módulo (1), contendo câmaras (3) fotocataliticas, associada a eletroxidação promovida por eletrodos (6) submersos alimentados eletricamente por fontes de tensão (13) pulsada, aplicado ao tratamento de águas e efluentes (por exemplos tratamento de água para abastecimento humano) a qual foi dada original formatação com componentes de baixo custo, manutenção facilitada e alta eficiência na degradação de inúmeros compostos orgânicos e inativação de microrganismos patogênicos. o módulo (1) possui câmaras (3) que em suas paredes internas estão-fixadas lâminas de vidro (8) revestidas com catalisador sólido, cada câmara (3) abriga um tubo de quartzo (7) que por sua vez contêm uma fonte ultravioleta (4) interna e concêntrica, ainda no interior de cada câmara (3) há passagens (5) que provocam turbulência na lâmina líquida que adentra o módulo (1).

Description

“SISTEMA MODULAR DE ELETROXIDAÇÃO ASSOCIADA À FOTOCATÁLISE HETEROGÊNEA APLICADO AO TRATAMENTO DE ÁGUAS E EFLUENTES” CAMPO DO MODELO DE UTILIDADE O presente modelo de utilidade refere-se a um sistema modular de eletroxidação associada à fotocatálise heterogênea aplicado ao tratamento de águas e efluentes (por exemplo: tratamento de água para abastecimento humano, tratamento terciário de esgotos industriais e domésticos, lixiviados de aterros sanitários, pré-oxidação de água bruta antecedendo estações de tratamento de água, entre outros) a qual foi dada original formatação contendo: câmaras, fontes ultravioletas artificiais, luvas de quartzo, catalisador sólido imobilizado (T1O2) e eletrodos. Trata-se de processos puramente físicos, associados, independente de insumos químicos, baixo consumo de energia elétrica e não apresenta seletividade na inativação de microrganismos patogênicos e na degradação de compostos orgânicos. Destinado à melhoria das condições de saneamento básico ao nível de pequena propriedade ou multifamiliar, podendo contribuir efetivamente para ampliar a qualidade de vida das populações e garantir o sucesso dos poços perfurados, para que suas águas atendam as normas nacionais de potabilidade, de acordo com a Portaria No. 518 do Ministério da Saúde, aumentando a oferta de água tratada com menor custo/benefício. FUNDAMENTOS DO MODELO DE UTILIDADE A água desempenha um papel fundamental na geração e manutenção da vida em nosso planeta, ela compõe parte significativa das células de todos os seres vivos, estando envolvida em processos de transporte de nutrientes e dejetos; manutenção de temperatura; produção e armazenamento de energia. Fatores externos ao nosso organismo também nos ligam a água, a história da humanidade tem evidenciado o surgimento de várias civilizações primitivas, quase sempre às margens de mananciais, tomando-se condição fundamental para seu desenvolvimento.

Hoje as conquistas tecnológicas parecem ofuscar as pessoas a respeito da valorização do que é natural, a ponto de pensarem e agirem como se fossem menos dependentes do ambiente natural no atendimento das suas necessidades cotidianas. Este entorpecido conhecimento da realidade tem guiado à maioria das nações por modelos de desenvolvimento que não se preocupam em harmonizar atividades antrópicas com o funcionamento dos ecossistemas.

Neste embate entre natureza e homem os corpos hídricos têm sido fortemente afetados. Apesar dos mananciais superficiais estarem mais sujeitos à contaminação decorrentes de atividades antrópicas, também tem sido observado a deterioração da qualidade das águas subterrâneas, acarretando sérios problemas de saúde pública em localidades que carecem do tratamento e de sistema de distribuição de água adequado. Esta poluição no meio aquático tem alterado substancialmente as características físicas (turbidez, temperatura, condutividade, viscosidade, tensão superficial, etc.), químicas (pH, toxicidade, DBO, DQO, etc.) ou biológicas (espécies do fitoplâncton e do zooplâncton) Quando a água, depois de ser utilizada, é restituída ao seu ambiente natural, a mesma não deve comprometer os possíveis usos que podem ser feitos, tanto públicos como privados. A contaminação é uma modificação da qualidade da água, provocada geralmente pelo homem, de tal forma a tomá-la inapta ou danosa ao consumo por parte do homem, à indústria, à agricultura, à pesca, às atividades recreativas, aos animais domésticos e aos selvagens. A maior consequência constatada em pesquisas que versão a respeito da poluição dos mananciais, apontam o lançamento de águas residuárias como um fator preponderante de degradação do meio ambiente aquático. Acarretando o crescimento do fitoplâncton (algas) contribuindo para o aumento da matéria orgânica particulada e dissolvida, aumento do pH nas zonas superficiais e, no hipolímnio, diminuição da concentração de oxigênio dissolvido, com liberação de sulfeto de hidrogênio, amônia e fósforo. Estas alterações na qualidade da água afetam sobremaneira os processos de tratamento de diversas formas: as dosagens de coagulantes e oxidantes são aumentadas; os flocos apresentam menor densidade; as carreiras de filtração têm menor duração; e são adicionadas à água substâncias precursoras da formação de subprodutos indesejados, denominados subprodutos da desinfecção.

Estes subprodutos halogenados são formados quando a matéria orgânica natural (MON) reage com o cloro livre ou com o bromo livre. De acordo com pesquisas realizadas pela Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos, os não halogenados são também formados quando poderosos oxidantes reagem com compostos orgânicos presentes na água. Vários fatores contribuem para ampliar o potencial de formação destes subprodutos da desinfecção, tais como: pH; tempo de contato; temperatura; natureza e concentração da matéria orgânica natural; dosagem de cloro aplicada; residual de cloro livre e concentração de brometos, todos estes interferentes quanto maior mais favorecem à formação dos subprodutos. Portanto, a geração dos diferentes subprodutos, e em diferentes concentrações, depende, principalmente, do tipo de desinfetante, da qualidade da água, do tempo de contato e de fatores ambientais tais como alcalinidade, pH, temperatura, força iônica e catalisadores naturais.

Os subprodutos mais evidenciados em pesquisas são: os trialometanos, os ácidos haloacéticos, as haloacetonas e haloacetronitrilas, como resultado das reações com o cloro.

Os possíveis riscos à Saúde Pública associados à ingestão de água tratada contendo estes subprodutos provenientes das reações do cloro e seus derivados com a matéria orgânica naturalmente presente na água, surgiu por volta de 1970, conjuntamente com os trabalhos de Bailar e Rook, ambos realizados em 1974, na Holanda e nos Estados Unidos respectivamente. Outras pesquisas relatam uma alta probabilidade no desenvolvimento de câncer de bexiga, cólon e reto na exposição a estes compostos presentes na água.

Em 1979, a Agência de Proteção Ambiental Americana estabeleceu como limite máximo para os Trialometanos Totais (ΤΤΉΜ - soma dos quatro principais t Trialometanos: Clorofórmio, Bromodiclorometano, Dibromoclorometano e Bromofórmio) a concentração de 0,1 mg/L na água de abastecimento público, e foi reduzido para 0,08 mg/L no ano de 1998. No Brasil, concentração máxima permitida de TTHM é de 0,1 mg/L, conforme preconiza a Portaria 518 de 25 de março de 2004 do Ministério da Saúde do Brasil Para controlar ou reduzir estas reações de formação dos subprodutos, alguns aspectos devem ser levados em conta, tais como: melhor seleção do manancial em função da qualidade da água; remoção dos precursores dos subprodutos; otimizar processo de tratamento com mudança do ponto de cloração e limitação do tempo de contato; e na seleção de desinfetantes alternativos e remoção dos subprodutos formados.

Atualmente há uma preocupação cada vez maior com a qualidade da água destinada ao consumo humano, em face das crescentes degradações dos mananciais, conforme anteriormente aventadas. Em consequência a legislação também caminha para ações mais restritivas quanto aos parâmetros microbiológicos e físico-químicos, exigindo dos agentes de desinfecção empregados um caráter não seletivo e a necessidade de apresentar-se como uma tecnologia limpa, sem geração de subprodutos. Sendo, prioritariamente, necessário nas estações de tratamento de água, onde estão presentes em maiores quantidades os precursores com elevado potencial de formação dos compostos halogenados.

Existe uma série de tecnologias disponíveis no mercado. Entretanto, levando em consideração que as matrizes de interesse são muitas vezes formadas de substâncias com alta toxidade e que, transformar o poluente (mineralizá-Io) é muito mais interessante do que simplesmente mudá-lo de fase (como por exemplo: filtração, flotação e outros), nos últimos anos uma nova tecnologia vem se difundindo e crescendo: os Processos Oxidativos Avançados (POA).

Destacando-se devido à sua alta eficiência na degradação de inúmeros compostos orgânicos e se apresentando como opção tecnológica de baixo custo operacional, os POA’s são processos de oxidação que provocam a formação de radicais hidroxila, os quais são espécies altamente oxidantes, em quantidade suficiente para provocar a mineralização da matéria orgânica à dióxido de carbono, água e íons inorgânicos. Esses radicais podem ser formados por vários processos que podem ser classificados em sistemas homogêneos ou heterogêneos, conforme a ausência ou a presença de catalisadores na forma sólida (exemplo: dióxido titânio, T1O2), além de poderem estar ou não sob irradiação solar ou artificial.

Dentre os POA destaca-se a fotocatálise heterogênea, processo que envolve reações redox induzidas pela radiação ultravioleta, fotoativando semicondutores minerais (catalisadores) como, por exemplo, T1O2 (dióxido de titânio), CdS, ZnO, WO3, ZnS, B1O3 e Fe203- As vantagens em se utilizar reações heterogêneas são: amplo espectro de compostos orgânicos que podem ser mineralizados, receptores adicionais de elétrons podem não ser necessários, o fotocatalisador pode ser reutilizado e a radiação solar pode ser empregada como fonte de luz para ativar o catalisador. O dióxido de titânio (T1O2), é o semicondutor mais empregado nestas aplicação ambientais devido principalmente a sua baixa solubilidade em água, baixa toxidade e custos de aquisição e aplicação reduzidos, tem a propriedade de atuar tanto como oxidante e como redutor, e isto diferencia a fotocatálise heterogênea dos demais processos nos quais apenas a oxidaçâo da matéria orgânica é possível. A redução é importante para a remoção de metais dissolvidos na água, como é o caso do Ni (níquel), Cd (cádmio), e Pb (chumbo) etc.

Outra importante aplicação da fotocatálise heterogênea é na desinfecção de esgoto sanitário e água de abastecimento, operações importantes para o controle de doenças de veiculação hídrica, com a grande vantagem de não gerar subprodutos carcinogênicos tais como trialometanos, como pode ocorrer na cloração. O tratamento eletrolítico é um processo que também apresenta como característica a geração de radicais hidroxilas (HO), formando radicais orgânicos que reagem com oxigênio, dando início a uma série de reações de degradação que podem terminar, no caso ideal, na completa mineralização dos compostos orgânicos. Trata-se de uma tecnologia que emprega célula eletrolítica com a passagem de corrente elétrica contínua ou alternada através de eletrodos na solução de tratamento, a qual é denominada solução eletrolítica. Durante o tratamento, são produzidas reações eletroquímicas que podem transformar quimicamente substâncias recalcitrantes que componham os poluentes. Pode permitir também uma redução na concentração iônica, ocasionar a morte de microorganismos e produzir substâncias desinfetantes como, por exemplo, o gás cloro.

Pesquisas foram realizadas submetendo-se poluentes orgânicos recalcitrantes, como EDTA e lignina, presentes em efluentes industriais, por oxidaçâo eletroquímica e os resultados foram bastante eficientes na remoção da cor e da demanda química de oxigênio. Outros estudos atestam a eficiência desta modalidade de tratamento na degradação do fenol, que, por se tratar de um composto bastante tóxico e estar presente em uma variedade de efluentes industriais, serve como modelo para estudos na degradação de compostos afins, pois apresenta uma estrutura semelhante a uma série de outros compostos orgânicos de fenol. A eletroxidação de compostos orgânicos como o formaldeído, nitrobenzeno, ciclohexanol são também evidenciados por processos eletrolíticos.

Vale ressaltar a potencialidade promissora do uso combinado de dois ou mais agentes químicos ou físicos na degradação de compostos e ação de desinfecção, obtendo-se níveis superiores de oxidação proporcionando maiores eficiências do que se usados isoladamente. Há rim grande número de publicações a respeito do uso da fotocatálise heterogênea e eletroxidação, entretanto, em muitos destes excluem-se aspectos relacionados à: redução de custos principalmente na seleção dos materiais que compõem o dispositivo, prover mecanismos que cause turbulência na lâmina líquida mitigando a formação de filmes que podem obstruir ou diminuir irradiação no meio líquido, a associação de tecnologias diferentes reunindo um efeito de sinergia que proporciona maior efetividade do que o uso isolado e a possibilidade de acoplamento de vários dispositivos a fim de atender à tratamentos mais severos. A inobservância destes fatores acaba reduzindo a viabilidade de aplicação ou até mesmo a eficiência do tratamento, não importando se o uso é na degradação de compostos orgânicos ou para inativação de microrganismos patogênicos.

Existem vários tipos de reatores que promovem a eletroxidação de efluentes contaminados, destes, muitos se utilizam de fontes geradoras de gás ozônio diretamente na lâmina líquida a ser tratada, podendo ser chamada de eletrólito. Através de um par de eletrodos submersos ligados a uma fonte de tensão elétrica, o gás ozônio é gerado na água e leva a oxidação dos contaminantes presentes na água. Os documentos de Patente No. US 4416747; US 5779865 e US 5205994 versão a respeito da produção do ozônio se utilizando de eletrólito sólido.

Os documentos de Patente No. US 4404082 e US 2010213095, dentre outros, referem-se a reatores para o tratamento eletroquímico, incluindo pelo menos dois eletrodos de superfície plana, posicionados eqüidistante em toda a superfície e devidamente espaçados, e entre os ditos eletrodos existe uma solução eletrolítica. Nestes dispositivos é destacado o uso de metais, preferencialmente, no anodo: vanádio, selênio, ouro, prata, níquel, grafite, grafite galvanizado com platina e grafite galvanizado com paládio. A utilização destes metais, em muitos casos, limita a disseminação destas tecnologias e em muitos outros ficam restritas a usos laboratoriais e a institutos de pesquisas.

No documento de patente No. US6607655 é descrito um reator para a realização de reações eletroquímicas que compreende pelo menos um eletrodo e um contra-eletrodo, separados por um espaço capilar tendo pelo menos um canal com uma altura inferior ou igual a 0,2 mm e uma largura inferior ou igual a 10 mm que serve como um espaço de reação. Entre o espaçamento criado na junção dos eletrodos se faz necessário o uso de isolante com detalhes de reentrâncias ou ranhuras formando canais. Com esta disposição, é possível minimizar a tensão necessária na eletrólise e, sabe-se que a resistência ôhmica alta requer o uso de sais de condutores, portanto, em algumas situações talvez seja necessário a adição de sais condutores na água a ser tratada, etapa que requer monitoramento ininterrupto o que pode inviabilizar a sua aplicação. A Patente No. CN100500585 trata de uma técnica de oxidação eletroquímica para uso em águas residuais contendo compostos clorobenzeno. É utilizado um tanque de reação com eletrocatálise, no qual o anodo é constituído por um óxido a base de chumbo-titânio, bimetálico modificado por resina de flúor, uma placa resistente à corrosão serve como cátodo. Entre os eletrodos há uma colméia de partículas ativas em cerâmica composta de Mn, Sn e Sb. A própria água contaminada, contendo compostos de clorobenzeno, serve como eletrólito. A tensão elétrica é aplicada por pulso de corrente direta da fonte de alimentação estabilizada. Neste modelo de invenção a utilização desta colméia de partículas ativas em cerâmica composta de Mn, Sn e Sb podem exigir um conhecimento específico a cerca de sua construção. O documento de Patente No. CN1629079 refere-se a um método eletroquímico para remoção de substâncias orgânicas da água. O método e o aparelho podem ser utilizados em águas residuárias degradando contaminantes orgânicos e removendo matéria orgânica. Este dispositivo necessita do uso de um filme de ultrafiltração entre as placas, isto implica muna limitação em matéria de custos de aquisição desta membrana e a própria manutenção inerente a estes processos que se utilizam de membranas.

Na Patente No. KR100288974 é apresentado um dispositivo para eletroxidação de poluentes em mn efluente líquido, promovendo reações eletroquímicas com dispersão e agitação de partículas contidas na água residuárias usando agitador vibratório e suprimento de oxigênio no tanque de tratamento. É utilizado como fonte de energia um transformador principal, uma unidade de tiristor principal, e outra como secundário. Nesta concepção há presença de agitadores e suprimento de oxigênio injetado no tanque de reação, componentes que agregam maiores custos no consumo de energia e a própria manutenção do conjunto.

Para documentos referentes aos processos envolvendo a radiação ultravioleta conjugada com o uso de fotocatalisadores, a Patente No. US5779912 apresenta um fotoreator na forma cilíndrica com revestimento de T1O2 (catalisador sólido) em sua parede porosa interna, oferecendo risco de obstrução dos poros, principalmente, por não dispor de dispositivo que provoque turbulência da massa líquida. Na patente No. US5043080 o catalisador sólido é utilizado de forma dispersa no meio líquido, nesta condição pode ocorrer a sedimentação do mesmo, impedindo a irradiação das partículas T1O2 de forma completa. Adicionalmente, é preciso se utilizar de uma etapa de filtração para fazer a separação da água tratada ou efluente tratado das partículas de T1O2 utilizadas na operação. Outros modelos apresentam o inconveniente de operarem com baixas vazões e na condição de que, o afluente ao fotoreator, esteja com níveis de turbidez abaixo de 5 uT, atendendo a usos específicos, tais como, a desinfecção de águas ou o tratamento de gases, Como é o caso do modelo apresentado pela patente BRMU8102317-0, indicado para uso específico em desinfecção de água de abastecimento. Já o modelo No. BR0006158-1 é indicado para tratamento de gases, assim como a patente No. MU9700500-2A.

Em que pese à larga utilização desses dispositivos anteriormente citados outros inconvenientes podem ser encontrados, tais como: a não associação dos processos eletrolíticos com os fotocatalíticos e, especificamente nos processos eletrolíticos, a aplicação de tensão elétrica em corrente contínua, levando ao acúmulo de impurezas presentes na água sobre os eletrodos, reduzindo sobre maneira a produção de ozônio e, consequentemente, afetando a eficiência do tratamento e provocando um maior consumo de energia elétrica. Tendo em vista os inconvenientes aventados e no propósito de superá-los desenvolveu-se o presente modelo de utilidade.

SUMÁRIO DO MODELO DE UTILIDADE O sistema modular de eletroxidação associada à fotocatálise heterogênea aplicado ao tratamento de águas e efluentes, compreende um módulo (1) com ponto de entrada de água (2), dispositivos de vedação do tipo flanges de alumínio (11) e tampa em alumínio (10), fontes UV (4) internalizadas em tubos de quartzos (7) e concêntricas em cada uma das cinco câmaras (3) do tipo chicanas. Passagens (5) interligam as câmaras (3), onde a lâmina líquida, inicialmente, sofrerá ação eletrolítica passando entre o conjunto de eletrodos (6), alimentados eletricamente por uma fonte de tensão (3) pulsada de onda quadrada e, imediatamente depois, a lâmina líquida estará sob ação dos fótons emitidos pelas fontes UV (4). Nas paredes laterais das câmaras (3) estão posicionadas as lâminas de vidro (8) impregnadas com o catalisador sólido, promovendo, juntamente com a radiação ultravioleta, à fotocatálise dos compostos orgânicos. Ao final do percurso formado no módulo (1) pelas câmaras (3) o fluxo hidráulico sairá pelo ponto de saída (9) como efluente tratado.

BREVE DESCRICÃQ DA FIGURA

Os desenhos anexos mostram a disposição do sistema modular de eletroxidação associada à fotocatálise heterogênea aplicado ao tratamento de águas e efluentes, objeto da presente patente, nos quais: Figura 1: representa uma vista do ambiente externo do sistema modular de eletroxidação associada à fotocatálise heterogênea aplicado ao tratamento de águas e efluentes.

Figura 2: representa uma vista do ambiente interno do sistema modular de eletroxidação associada à fotocatálise heterogênea aplicado ao tratamento de águas e efluentes.

Figura 3: representa um gráfico referente ao percentual de remoção atingido para o parâmetro clorofila “a”, quando da utilização do sistema modular de eletroxidação associada à fotocatálise heterogênea aplicado ao tratamento de águas e efluentes operando como opção de pré-oxidação, em substituição ao uso de pré-oxidante químico (cloro e seus derivados), numa Estação de Tratamento de Água (ETA) por filtração direta.

Figura 4: representa um gráfico referente ao percentual de remoção atingido para o parâmetro Demanda Química de Oxigênio - DQO, quando da utilização do sistema modular de eletroxidação associada à fotocatálise heterogênea aplicado ao tratamento de águas e efluentes operando como opção de pré-oxidação, em substituição ao uso de pré-oxidante químico (cloro e seus derivados), numa Estação de Tratamento de Água (ETA) por filtração direta.

Figura 5: representa um gráfico referente à turbidez remanescente alcançada para a água tratada, quando da utilização do sistema modular de eletroxidação associada à fotocatálise heterogênea aplicado ao tratamento de águas e efluentes operando como opção de pré-oxidação, em substituição ao uso de pré-oxidante químico (cloro e seus derivados), numa Estação de Tratamento de Água (ETA) por filtração direta.

DESCRICÃO DETALHADA DO MODELO DE UTILIDADE

De conformidade com o quanto ilustram as figuras acima relacionadas, o sistema modular de eletroxidação associada à fotocatálise heterogênea aplicado ao tratamento de águas e efluentes, objeto da presente patente, é mostrado na figura 1, formado por: um módulo (1) e neste estão: um ponto de entrada (2) posicionado na direção perpendicular ao fluxo interno, com o objetivo de provocar turbulência no escoamento interno, melhorando a homogeneização do fluido a ser tratado e reduzir a incidência de deposição de resíduos, principalmente, nas partes internas do módulo (1) que poderíam provocar a obstrução do tubo de quartzo (7) e da face em que se encontra aplicado o dióxido de titânio na lâmina de vidro (8), diminuindo a eficiência de oxidaçâo do conjunto.

Ainda na figura 1, o módulo (1) foi projetado para trabalhar na posição vertical, sendo o ponto de entrada (2) localizado na parte inferior e o ponto de saída (9) na parte superior. Essa condição permite que o módulo (1) opere sem espaços vazios em seu interior. A vedação do módulo (1) é realizada pela tampa (10) e pelos dispositivos tipo flanges de alumínio (11) com borrachas acopladas que permitem que a instalação dos tubos de quartzo (7), montados simetricamente em cada uma das câmaras (3) possam transpassá-la de um lado a outro o módulo (1).

No objetivo de ampliar o poder de oxidaçâo do sistema, estão associados, no módulo (1), agentes oxidativos do tipo: fotocatálise heterogênea e eletroxidação. O uso da fotocatálise heterogênea tem como objetivo possibilitar a formação radicais hidroxila, íons radicais superóxido e outras espécies altamente reativas, os quais participam da oxidaçâo dos contaminantes orgânicos, bem como na ação de desinfecção. Estas reações são catalisadas com o uso de semicondutores aplicados em lâminas de vidro (8) e fotoativadas por fontes UV (7) ampliando as possibilidades de degradação pela ação catalítica destes semicondutores quando foto-ativados.

Com a eletroxidação o objetivo é proporcionar a formação de gás ozônio através da utilização de um conjunto de eletrodos (6) submersos, formados por chapas planas construídas com secção retangular de 10 x 5 x 0,2 cm, em aço inox, montadas com espaçamento de Imm entre placas. Onde cada placa que forma um conjunto de eletrodos (6) foi interligada como armaduras de capacitores conectados em paralelo, alimentadas eletricamente pelos bocais elétricos (12), ligados à fonte (13) transformadora de 220V/12V de tensão elétrica estabilizada e corrente elétrica máxima de 5 A, conectada através do cabo elétrico (14) recebendo energia da rede elétrica.

As moléculas de água, formada por ligação covalente entre dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio, que passam entre os eletrodos, sofrem ação de um campo elétrico uniforme originado pela tensão elétrica aplicada em um eletrodo e o contra-eletrodo, que forma o conjunto de eletrodos (6). Essa tensão elétrica tem frequência de onda quadrada.

Algumas moléculas têm momentos de dipolos permanentes devidos a uma distribuição não uniforme de carga no seu interior. Tais moléculas são denominadas de moléculas polares, como o HCL, que é, essencialmente, um íon hidrogênio de carga +e combinado com um íon cloro negativo de carga -e. O centro de carga do íon positivo não coincide com o centro de carga do íon negativo e, portanto, a molécula tem um momento dipolo permanente. Outro exemplo é a molécula de água que tem um momento dipolo permanente que aponta no sentido do centro da carga negativa para o centro da carga positiva. Sendo polares, as moléculas de água se atraem mutuamente formando ligações intermoleculares denominadas “pontes de hidrogênio”. Têm geometria angular e formam dipolos elétricos devido à diferença de eletronegatividade entre oxigênio e hidrogênio ligados por ligação covalente.

Um campo elétrico externo uniforme não exerce força resultante em um dipolo, mas exerce um torque que tende a girar o dipolo para alinhá-lo com a direção do campo externo. Inicialmente, é isto que ocorre com as moléculas de água que transpassam entre os conjuntos de eletrodos (6) instalados em cada câmara (3). Ocorre o alinhamento da molécula de água, conforme a disposição do campo elétrico entre as placas que formam o conjunto de eletrodos (6), imediatamente depois, há uma força atrativa de carga negativa em um dos eletrodos, atraindo fortemente o lado positivo da molécula de água para este e, simultaneamente a isso, ocorre no contra-eletrodo com carga positiva atração pelo lado da molécula de pólo negativo. Neste embate de forças atrativas organizados por pulsos elétricos de onda eletromagnética do tipo quadrada, acaba rompendo a ligação covalente que forma a molécula de água. Diante disso, na água são lançados íons no meio líquido, e dentre outros, o O (oxigênio) e O2 (gás oxigênio) estarão sendo combinados formando o gás ozônio. O gás ozônio detém comportamento altamente reativo, quando comparado a outros compostos. Isto é atribuído a dois aspectos principais: a deficiência eletrônica das estruturas de ressonância com apenas 6 elétrons em tomo do átomo de oxigênio e a tendência eletronegativa do elemento oxigênio. A natureza fortemente oxidante do ozônio lhe confere habilidade para reagir prontamente com uma grande variedade de grupos funcionais orgânicos e organometálicos, promovendo quebra de duplas ligações carbono-carbono e originando subprodutos de menor peso molecular, muitas vezes mais biodegradáveis que seus precursores.

Como resultado, o ozônio é capaz de remover substâncias responsáveis pela cor, gosto e odor no tratamento de águas de abastecimento, e microrganismos diversos no tratamento de esgoto, incluindo espécies resistentes a outras técnicas de desinfecção.

Na figura 2, está apresentado o ambiente interno do módulo (1) contendo as cinco câmaras (3), e posicionadas em cada uma das câmaras (3), na parte inferior do módulo (1) os conjuntos de eletrodos (6) responsáveis pela ação eletrolítica capaz de oxidar ou reduzir íons metálicos, íons cianeto, compostos organoclorados, hidrocarbonetos aromáticos e alifáticos e seus derivados. São processos onde os elétrons são providos diretamente ao material tratado, eliminando a necessidade da adição de substâncias redutoras ou oxidantes potencialmente tóxicas. Sua utilização tem larga importância, pois reduz a toxicidade dos efluentes através da transformação de substâncias persistentes em substâncias facilmente biodegradáveis.

Ainda na figura 2, nas laterais internas de cada uma das cinco câmaras (3) estão fixadas com silicone, placas de vidro (8) com 6 mm de espessura impregnadas, em uma das faces, com o catalisador sólido dióxido de titânio (fotocatalisador), que será exposta aos fótons das fontes UV (4). Deste modo é possível acelerar a fotodegradação dos compostos orgânicos e a inativação de microrganismos presentes na massa líquida, pois os óxidos metálicos são a principal classe de compostos que apresentam atividade fotocatalítica, e podem ser classificados de acordo com suas propriedades físico-químicas. Uma dessas propriedades é a estabilidade. Metais com alto estado de oxidação instável, como Pt, Pd, Ru, Au, e Ag não apresentam óxidos estáveis em temperaturas moderadas. A maioria dos catalisadores de óxidos metálicos utilizados, constituem-se de óxidos com altos estados de oxidação estáveis como, por exemplo, os óxidos de Ti, V, Cr, Zn, e Al. Já o Fe, Co, Ni, e Pb pertencem ao grupo com altos estados de oxidação de estabilidade intermediária.

Outro possível critério de classificação é quanto a sua condutividade elétrica: os isolantes apresentam baixa mobilidade dos elétrons e, portanto, sua atividade fotocatalítica é baixa. Além disso, com algumas exceções, os óxidos metálicos do tipo n não são cataliticamente ativos. Processos fotocatalíticos utilizando materiais semicondutores são métodos eficientes e bastante gerais para a decomposição de poluentes orgânicos em água ou ar. Dentre os materiais semicondutores, um dos mais utilizados é o dióxido de titânio, T1O2, devido a algumas propriedades convenientes: apresenta custo baixo, é relativamente inerte e relativamente eficiente nos processos de fotocatálise. Em aplicações práticas, ο ΉΟ2 pode ser usado em suspensão ou ainda fixo sobre um suporte estacionário. Esse último procedimento toma o processo de fotodegradação mais prático, eliminando as etapas de filtração necessárias quando o mesmo é utilizado em suspensão. O objeto da presente patente se caracteriza como um método de fotocatálise baseado na incidência de radiação com comprimento de onda adequado sobre um material semicondutor, promovendo os elétrons da banda de valência para a banda de condução; desse modo, um par elétron-lacuna é formado e é responsável pelo início da catálise da degradação dos compostos orgânicos. Assim, quando soluções aquosas contendo impurezas orgânicas adentram no módulo (1), são expostas à radiações eletromagnéticas, emitidas pelas fontes UV (4) com energia adequada, na presença de partículas de T1O2 aplicadas sobre placas de vidro (8) fixadas com cola de silicone nas paredes laterais das câmaras (3), as moléculas orgânicas contidas no fluido se decompõem levando à formação de CO2 e H2O. A luz ultravioleta faz parte do espectro eletromagnético com comprimentos de onda entre 100 e 400 nanômetros (nm). Quanto menor o comprimento de onda, maior a energia produzida. De acordo com a teoria desenvolvida por Einstein em 1905, a intensidade de energia emitida por uma fonte qualquer é definida como sendo inversamente proporcional ao seu comprimento de onda. Assim, comprimentos de onda mais baixos na escala do espectro eletromagnético provocam perturbações mais intensas quando absorvidos. Portanto, quando uma estrutura biológica, adentra o módulo (1) absorve fótons de luz sua energia interna aumenta proporcionalmente à intensidade de radiação recebida, emitida pelas fontes UV (4). Conseqüentemente, dependendo do comprimento de onda emitido, a energia a ele associada pode provocar alterações bioquímicas, reversíveis ou não, nas moléculas atingidas. A radiação emitida na faixa das microondas estimula movimentos rotacionais na molécula. Similarmente, o infravermelho e a luz visível promovem vibração molecular, devido ao aumento da energia do orbital. Os raios-X e a radiação ultravioleta de curto comprimento de onda provocam, em geral, o rompimento de ligações químicas e a ionização da molécula. Com raras exceções, os efeitos da radiação UV, em sistemas biológicos, se acentuam entre os limites 190 e 380nm, atingindo intensidade máxima próximo a 254nm. No uso de fontes UV (4) em 253,7 nm é fornecido o equivalente a 472,3kl/einstein, valor este suficientemente elevado para provocar mudanças fotobioquímicas no meio líquido. As fontes UV (4) podem ser do tipo baixa pressão de vapor de mercúrio que têm comprimento de onda de 253.7 nm. Portanto, a faixa do UV-C é a mais apropriada para a inativação de microrganismos. A faixa de UV vácuo (UV-V) também pode ser utilizada e neste caso, emite especificamente um comprimento de onda em tomo de 185 nm, é própria para a produção de ozônio (O3), e mais indicada para degradação de compostos orgânicos.

As câmaras (3) são providas de passagens (5), que fazem a ligação hidráulica de uma câmara para outra, ocorrendo sempre no sentido perpendicular ao fluxo interno. Da mesma forma que ocorre no ponto de entrada (2) do módulo (1), proporciona a turbulência da massa líquida a cada mudança de câmara (3) no interior do módulo (1), conseguindo ampliar a abrangência sob a lâmina fluida, dos feixes de fótons emitidos pelas fontes Ultravioletas (4). Ao final da última câmara do tipo chicana (3) o líquido estará no ponto de saída (9), daí poderá seguir em modo contínuo como efluente tratado ou adentrar em outro módulo, ou ainda voltar ao mesmo módulo, caracterizando-se como sistema de recirculação.

Todos os componentes apresentam baixo custo, elevada durabilidade e facilidade de reposição e manutenção. A fonte de alimentação (13) além de fornecer a energia adequada para cada um dos componentes elétricos do módulo (1) permite que estes sejam acionados de forma independente, oferecendo ao usuário total controle das funções disponíveis.

Evidentemente, o presente modelo de utilidade que se refere a um sistema modular de eletroxidação associada à fotocatálise heterogênea aplicado ao tratamento de águas e efluentes, objeto da presente patente, tendo sua concepção constituída por meio de módulo, oferece a possibilidade de acoplarem-se vários módulos a fim de atender a necessidades de maiores capacidades de tratamento.

Quando exemplos desta presente patente foram descritos, compreenda-se que não há pretensão de limitar as possibilidades de construção e de utilização, o que se pretende é cobrir todas as modificações e métodos alternativos que caem dentro do espírito e do espaço da invenção como definido nas reivindicações.

EXEMPLO

Segue um exemplo a título de ilustração do uso do sistema modular de eletroxidação associada à fotocatálise heterogênea aplicado ao tratamento de águas e efluentes, utilizando-o como pré-oxidante numa Estação de Tratamento de Água (ETA) por filtração direta, monitorados pelas determinações da turbidez, Demanda Bioquímica de Oxigênio e Clorofila “a” para água bruta e final em função do tempo de carreira de filtração. O nordeste brasileiro possui características hidrogeológicas de clima semi-árido, do tipo: solos rasos e de baixa vocação para acúmulo de água, elevada incidência solar e chuvas com distribuição irregular. Sendo assim, a maior parte dos sistemas de captação de águas encontradas nesta região faz uso de reservatórios superficiais, aproveitando-se dos períodos chuvosos para reserva de água para abastecimento humano. Os açudes acabam funcionando como decantadores naturais, viabilizando, em muitos casos, a escolha da tecnologia de tratamento da água por filtração direta, que é o que se verifica no Estado do Ceará, 90% de suas Estações de Tratamento de Água operam com a tecnologia de Filtração Direta.

No entanto, essa característica dos açudes, se é benéfica quanto a isso, provoca uma desvantagem considerável: os açudes funcionam como zona de depósitos de sedimentos que, em muitos casos, atuam como fornecedores de nutrientes ao fitoplâncton. Isso, somado à intensa insolação da região, tem favorecido a eutrofização de vários açudes. A água bruta utilizada nos experimentos foi captada do açude Gavião, que também é fonte de suprimento para a ETA — Gavião, água que apresentava características decorrentes de processos de eutrofização que ocorrem no açude e pode ser considerada como representativa das águas de outros açudes do Ceará utilizados para o suprimento de água potável. Em todos os ensaios foram utilizados os mesmos coagulante e o polímero aplicados na ETA Gavião, com dosagens também correspondentes ao que era aplicado na ETA - Gavião, dosagens suficientes para manter a turbidez da água filtrada inferior a 0,5 uT, conforme é recomendado pela Portaria no 518 do Ministério da Saúde do Brasil. É um grande desafio se produzir água filtrada, pelo método da filtração direta, com valor de turbidez inferior ao limite máximo estabelecido pela regulamentação brasileira, principalmente, quando esta água é de origem do semi-árido do nordeste brasileiro.

Para se obter índice de turbidez dentro dos padrões, geralmente, se faz uso de oxidantes (derivados clorados) antes da coagulação. Desta maneira há o risco eminente da formação de compostos orgânicos halogenados, e desta forma que diversas estações de tratamento de águas (ETA's) no Brasil, realizam seus processos de tratamento de águas, e na grande maioria não se faz o monitoramento adequado dos subprodutos gerados potencialmente prejudiciais à saúde.

Neste experimento foi utilizado o parâmetro clorofila “a”, que é um dos pigmentos responsáveis pela fotossíntese, logo a análise de clorofila tem como objetivo estimar a biomassa de fitoplâncton presente naquele manancial, as determinações são encontradas em pg/L. Todas as plantas verdes contêm clorofila “a”, que representa aproximadamente de 1 a 2% do peso seco de algas planctônicas e é, por isso, um indicador da produção de algas no recurso hídrico. Assim, a clorofila “a” é considerada a principal variável indicadora de estado trófico dos ambientes aquáticos. A figura 3 apresenta os valores médios percentuais de redução de clorofila “a”, para água tratada com a utilização do sistema modular de eletroxidação associada à fotocatálise heterogênea aplicado ao tratamento de águas e efluentes, operando como opção de pré-oxidação, em substituição ao uso de pré-oxidante químico, numa Estação de Tratamento de Água (ETA) por filtração direta.

Os valores evidenciam uma redução acima de 90% já nos primeiros 30 minutos e durante toda a duração da carreira de filtração. Os valores médios encontrados para a água bruta utilizada no experimento para o parâmetro Clorofila “a” variou de 56,78 a 80,90 pg/L.

Outra determinação realizada nestes experimentos foi quanto a Demanda Química de Oxigênio — DQO, que apresenta a quantidade de oxigênio necessário para oxidar a matéria orgânica existente em água natural ou despejo (doméstico ou industrial), sob condições definidas de temperatura, tempo de reação e acidez, frente a um agente oxidante específico (dicromato de potássio, K2 C^O?). Desta forma, a matéria carbonácea está sendo oxidada em dióxido de carbono (CO2) e água. O nitrogênio, dos grupos amino, é convertido em NH4*, enquanto as outras formas de nitrogênio são oxidadas para nitrato (NO3). O oxigênio consumido, como resultado final, é expresso em mgOa/L. A figura 4 apresenta os valores médios percentuais de redução para DQO, na água tratada com a utilização do sistema modular de eletroxidação associada à fotocatálise heterogênea aplicado ao tratamento de águas e efluentes, operando como opção de pré-oxidação, em substituição ao uso de pré-oxidante químico, numa Estação de Tratamento de Água (ETA) por filtração direta. Os valores evidenciam redução acima de 80% já nos primeiros 30 minutos e ultrapassando este percentual ao longo da duração da carreira de filtração. Os valores médios de DQO para a água bruta nestes dias de experimentos, variou de 21,50 a 76,09 mg02/L.

Nestes experimentos considerou-se a turbidez da água filtrada como indicador de desempenho, balizado nas premissas estabelecidas pela Portaria 1469/2000 e ratificadas pela portaria N2 518, de 25 de março de 2004, do Ministério da Saúde do Brasil, que mantém o limite de 1,0 uT e recomenda 0,5 uT em 95 % das amostras mensais a serem analisadas nas Estações de Tratamento de Água. O emprego destes limites de turbidez encontra respaldo em estudos correlacionando a remoção desta característica física à de cistos e oocistos de protozoários. A figura 5 apresenta os valores médios de turbidez remanescente, para a água tratada com a utilização do sistema modular de eletroxidação associada à fotocatálise heterogênea aplicado ao tratamento de águas e efluentes, operando como opção de pré-oxidação, em substituição ao uso de pré-oxidante químico, numa Estação de Tratamento de Água (ETA) por filtração direta. Os valores médios da turbidez para a água bruta nestes dias de experimentos, variou de 17,00 a 19,38 mg02/L. Os resultados mostram que nos primeiros 30 minutos de operação a água tratada apresentou turbidez abaixo de 0,20 uT, portanto, alcançando uma faixa de valores de turbidez, inferior ao limite máximo estabelecido pela regulamentação brasileira, mesmo para uma água bruta eutrofizada originada do semi-árido do nordeste brasileiro.

Estes resultados atestam que o sistema modular de eletroxidação associada à fotocatálise heterogênea aplicado ao tratamento de águas e efluentes, operando como opção de pré-oxidação mostra considerável eficiência na redução da matéria carbonácea presente inicialmente na água bruta. Atestando que, dentro dos parâmetros operacionais experimentados, poderá reduzir a formação de subprodutos da desinfecção, justamente por sua elevada ação oxidativa apresentada.

Os Processos Oxidativos Avançados associados no sistema modular de eletroxidação associada à fotocatálise heterogênea aplicado ao tratamento de águas e efluentes, têm como principal característica a geração de radicais hidroxilas (HO.) e gás ozônio, que reagem rápida e mdiscrimmadamente com a maioria dos compostos orgânicos e podem terminar, no caso ideal, na completa mineralização dos compostos orgânicos.

Estes resultados reforçam a consolidação desta solução tecnológica para ETA’s, contribuindo assim, com grande relevância na abordagem de problemas regionais básicos.

Claims (15)

1. SISTEMA MODULAR DE ELETROXIDAÇÃO ASSOCIADA À FOTOCATÁLISE HETEROGÊNEA APLICADO AO TRATAMENTO DE ÁGUAS E EFLUENTES, caracterizado por compreender um módulo (1), vedado por pelo menos uma tampa (10) e contendo pelo menos cinco flanges (11) e pelo menos cinco fontes de radiação ultravioletas (4), intemamente posicionadas nos seus respectivos tubos de quartzo (7) concêntricos, montados em cada uma das pelo menos cinco câmaras (3), que tem fixados em suas paredes internas lâminas de vidro (8) revestidas com catalisador sólido promovendo, em conjunto com a radiação ultravioleta, a fotocatálise dos compostos orgânicos e a inativação dos microorganismos.

2. SISTEMA MODULAR, CONTENDO CÂMARAS FOTOCATALÍTICAS DO TIPO CHICANAS, COM APROVEITAMENTO DE AR IRRADIADO E AQUECIDO, APLICADO AO TRATAMENTO DE ÁGUAS E EFLUENTES de acordo com a reivindicação 1 caracterizada por o módulo (1) poder ser formado por várias câmaras (3) ou uma única câmara (3).

3. SISTEMA MODULAR DE ELETROXIDAÇÃO ASSOCIADA À FOTOCATÁLISE HETEROGÊNEA APLICADO AO TRATAMENTO DE ÁGUAS E EFLUENTES de acordo com a reivindicação 1 caracterizada por, adicionalmente, ser provida de meios para montagem de um único módulo (1) ou de modo associado com vários módulos (1) em sequência.

4. SISTEMA MODULAR DE ELETROXIDAÇÃO ASSOCIADA À FOTOCATÁLISE HETEROGÊNEA APLICADO AO TRATAMENTO DE ÁGUAS E EFLUENTES de acordo com a reivindicação 1 caracterizada pelo fato de que o fotocatalisador pode estar sob a forma de pó, gel, colóide, ou similar não importando o tamanho da partícula.

5. SISTEMA MODULAR DE ELETROXIDAÇÃO ASSOCIADA À FOTOCATÁLISE HETEROGÊNEA APLICADO AO TRATAMENTO DE ÁGUAS E EFLUENTES de acordo com a reivindicação 1 caracterizada por a fonte de luz poder ser natural ou artificial.

6. SISTEMA MODULAR DE ELETROXIDAÇÃO ASSOCIADA À FOTOCATÁLISE HETEROGÊNEA APLICADO AO TRATAMENTO DE ÁGUAS E EFLUENTES de acordo com a reivindicação 5 caracterizada por a luz artificial poder ser proveniente de lâmpadas de tipos como: fluorescentes e ou incandescentes, de tamanho, forma e potência variados com emissão em comprimento de ondas que compreende as faixas de luz visível, ultravioleta e infravermelho.

7. SISTEMA MODULAR DE ELETROXIDAÇÃO ASSOCIADA À FOTOCATÁLISE HETEROGÊNEA APLICADO AO TRATAMENTO DE ÁGUAS E EFLUENTES de acordo com a reivindicação 1 caracterizada por poder utilizar diferentes semicondutores na forma sólida ou em suspensão.

8. SISTEMA MODULAR DE ELETROXIDAÇÃO ASSOCIADA À FOTOCATÁLISE HETEROGÊNEA APLICADO AO TRATAMENTO DE ÁGUAS E EFLUENTES de acordo com a reivindicação 4 caracterizada pelo fato de que o semicondutor sendo no estados sólido pode estar aplicada em todas as partes internas das câmaras do tipo chicanas (3) e na tampa em sua parede interna

9. SISTEMA MODULAR DE ELETROXIDAÇÃO ASSOCIADA À FOTOCATÁLISE HETEROGÊNEA APLICADO AO TRATAMENTO DE ÁGUAS E EFLUENTES de acordo com a reivindicação 2 caracterizada por sua formatação constar de passagens (5), responsáveis por turbilhonar o fluxo e servir como via de ligação para as próximas câmaras (3).

10.SISTEMA MODULAR DE ELETROXIDAÇÃO ASSOCIADA À FOTOCATÁLISE HETEROGÊNEA APLICADO AO TRATAMENTO DE ÁGUAS E EFLUENTES de acordo com a reivindicação 1 caracterizada por sua tampa (10) e seus bocais (12), poderem ter dimensões e formas variadas.

11.SISTEMA MODULAR DE ELETROXIDAÇÃO ASSOCIADA À FOTOCATÁLISE HETEROGÊNEA APLICADO AO TRATAMENTO DE ÁGUAS E EFLUENTES de acordo com a reivindicação 1 caracterizada por sua formatação: as passagens (5), as câmaras (3), as lâminas de vidro (8), o módulo (1), fontes ultravioletas (4) e os tubos de quartzo (7), poderem ter dimensões e formas variadas.

12.SISTEMA MODULAR DE ELETROXIDAÇÃO ASSOCIADA À FOTOCATÁLISE HETEROGÊNEA APLICADO AO TRATAMENTO DE ÁGUAS E EFLUENTES de acordo com a reivindicação 1 caracterizada por sua formatação constar de conjuntos de eletrodos (6), responsáveis pela ação eletrolítica capaz de oxidar ou reduzir íons metálicos, íons cianeto, compostos organoclorados, hidrocarbonetos aromáticos e alifáticos e seus derivados.

13.SISTEMA MODULAR DE ELETROXIDAÇÃO ASSOCIADA À FOTOCATÁLISE HETEROGÊNEA APLICADO AO TRATAMENTO DE ÁGUAS E EFLUENTES de acordo com a reivindicação 1 caracterizada por sua formatação constar de associação de tecnologias oxidativas do tipo: fotocatálise heterogênea e eletroxidação.

14.SISTEMA MODULAR DE ELETROXIDAÇÃO ASSOCIADA À FOTOCATÁLISE HETEROGÊNEA APLICADO AO TRATAMENTO DE ÁGUAS E EFLUENTES de acordo com a reivindicação 1 caracterizada por sua formatação constar de conjuntos de eletrodos (6), alimentados eletricamente por bocais elétricos (12) ligados a fontes de tensão (13), gerando pulsos de onda quadrada, podendo ser alimentada pelo cabo de ligação (14) conectado a rede elétrica local ou por outras fontes de energia alternativa.

15.SISTEMA MODULAR DE ELETROXIDAÇÃO ASSOCIADA À FOTOCATÁLISE HETEROGÊNEA APLICADO AO TRATAMENTO DE ÁGUAS E EFLUENTES de acordo com a reivindicação 12 caracterizada por em sua formatação constar de conjuntos de eletrodos (6) fabricados por material eletricamente condutor podendo ter dimensões e formas variadas e serem fabricados por ligas de diversas composições.